Automotive industry is in a crucial moment of evolution, the strong ecological regulations pushed automotive companies to find more efficient solutions for the development of new electrical motors, the progress in the permanent magnets have made the price of these materials decreases in the last years, making the permanent magnet motors an ideal solution for the next generation of electrical vehicles; Permanent magnet synchronous motors are the most efficient motors in the market so far, the technology seems to be developed enough but the control is more complicated with respect to the counterpart asynchronous; The progress archived in the last years in the power electronics makes the choice of these motors as a good alternative from the commercial point of view. The main work of this thesis is the study and comparison of two different motor solutions to be implemented in a motorbike on-wheel application, giving a guideline of the principal characteristics to be taken into account before the designing set-up. Considering the best design options, two different 3D models of synchronous permanent magnet motor will be developed with the use of SOLIDWORKS software, from a classic DC brushless solution to a Vernier machine with more complicated geometry; The two motors have external rotor and overall similar geometries; Afterwards a mass comparison will be made and the two models will be exported to the ANSYS Maxwell software to make a 2D model extraction, exploiting the model symmetries a further reduction will be made to reduce the computational times for machine simulations; The two machines have similar power 1.5 kW and voltage 48 volts, the analysis aims to compare the principal characteristics as the maximum torque, cogging torque, back electromotive force and at the end efficiency maps will be developed , trying to keep high performances and manufacturability in accordance with mass production. In the following chapters are illustrated working principles, the geometries, materials and the general equations that government these machines, to make a good comparison, performance and efficiency will be analysed and at the end the best machine for this application will be chosen.

La industria Automotive è in un momento di forte sviluppo, le sempre più stringenti normative ecologiche, spingono le compagnie del settore a trovare soluzioni più efficienti per lo sviluppo di nuovi motori elettrici, il progresso nella tecnologia dei magneti permanenti ha fatto sì che il Prezzo di questi materiali decresca fortemente negli ultimi anni, rendendo i motori sincroni a magneti permanenti la soluzione ideale per la nuova generazione di veicoli elettrici; I motori sincroni a magneti permanenti sono i motori più efficienti presenti sul mercato, la tecnologia pur essendo evoluta risulta inferiore con rispetto alla controparte asincrona, I progressi nei dispositivi di elettronica di Potenza verificatosi negli ultimi anni ha reso appetibile la scelta di questi motori dal punto di vista economico. Il principale scopo di questa tesi e lo studio e comparazione di due diversi tipi di motori da essere implementati in una soluzione “on-wheel” per moto elettrica, dando le principali linee guida da tenere in conto prima di iniziare la fase di design. Considerando le migliori caratteristiche per la applicazione richiesta, grazie al software SOLIDWORKS verranno sviluppati due diversi modelli 3D di motori sincroni a magneti permanenti, dalla classica configurazione Brushless DC a una machina di Vernier con geometria più complessa; i due motori posseggono rotore esterno e simili dimensioni; dopodiché un confronto sarà fatto tenendo conto della quantità di materiali utilizzati, successivamente i due modelli saranno esportati nel software ANSYS Maxwell e verrà estratto il corrispettivo modello 2D; sfruttando le simmetrie di macchina un’ulteriore riduzione del modello sarà effettuata, così da ridurre i tempi di computazione delle simulazioni; le due macchine hanno potenze pari a 1.5 kW e son progettate per lavorare con alimentazione a 48 V, le simulazioni hanno lo scopo di analizzare le principali caratteristiche di macchina come la coppia massima, la coppia di cogging, e la “BEMF”, infine verranno costruite mappe di efficienza dei due motori. Nei seguenti capitolo sono illustrati principi di funzionamento, le geometrie, materiali e le equazioni generali che governano queste macchine, per effettuare un buon confronto, performance ed efficienza verranno analizzate e alla fine il motore migliore per questo tipo di applicazione sarà scelto, tenendo conto delle performance e della capacità di essere sottoposti una produzione di massa.

Comparative study of two permanent magnet synchronous motors for automotive application

HIDALGO PAGUAY, CARLOS DAVID
2018/2019

Abstract

Automotive industry is in a crucial moment of evolution, the strong ecological regulations pushed automotive companies to find more efficient solutions for the development of new electrical motors, the progress in the permanent magnets have made the price of these materials decreases in the last years, making the permanent magnet motors an ideal solution for the next generation of electrical vehicles; Permanent magnet synchronous motors are the most efficient motors in the market so far, the technology seems to be developed enough but the control is more complicated with respect to the counterpart asynchronous; The progress archived in the last years in the power electronics makes the choice of these motors as a good alternative from the commercial point of view. The main work of this thesis is the study and comparison of two different motor solutions to be implemented in a motorbike on-wheel application, giving a guideline of the principal characteristics to be taken into account before the designing set-up. Considering the best design options, two different 3D models of synchronous permanent magnet motor will be developed with the use of SOLIDWORKS software, from a classic DC brushless solution to a Vernier machine with more complicated geometry; The two motors have external rotor and overall similar geometries; Afterwards a mass comparison will be made and the two models will be exported to the ANSYS Maxwell software to make a 2D model extraction, exploiting the model symmetries a further reduction will be made to reduce the computational times for machine simulations; The two machines have similar power 1.5 kW and voltage 48 volts, the analysis aims to compare the principal characteristics as the maximum torque, cogging torque, back electromotive force and at the end efficiency maps will be developed , trying to keep high performances and manufacturability in accordance with mass production. In the following chapters are illustrated working principles, the geometries, materials and the general equations that government these machines, to make a good comparison, performance and efficiency will be analysed and at the end the best machine for this application will be chosen.
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
25-lug-2019
2018/2019
La industria Automotive è in un momento di forte sviluppo, le sempre più stringenti normative ecologiche, spingono le compagnie del settore a trovare soluzioni più efficienti per lo sviluppo di nuovi motori elettrici, il progresso nella tecnologia dei magneti permanenti ha fatto sì che il Prezzo di questi materiali decresca fortemente negli ultimi anni, rendendo i motori sincroni a magneti permanenti la soluzione ideale per la nuova generazione di veicoli elettrici; I motori sincroni a magneti permanenti sono i motori più efficienti presenti sul mercato, la tecnologia pur essendo evoluta risulta inferiore con rispetto alla controparte asincrona, I progressi nei dispositivi di elettronica di Potenza verificatosi negli ultimi anni ha reso appetibile la scelta di questi motori dal punto di vista economico. Il principale scopo di questa tesi e lo studio e comparazione di due diversi tipi di motori da essere implementati in una soluzione “on-wheel” per moto elettrica, dando le principali linee guida da tenere in conto prima di iniziare la fase di design. Considerando le migliori caratteristiche per la applicazione richiesta, grazie al software SOLIDWORKS verranno sviluppati due diversi modelli 3D di motori sincroni a magneti permanenti, dalla classica configurazione Brushless DC a una machina di Vernier con geometria più complessa; i due motori posseggono rotore esterno e simili dimensioni; dopodiché un confronto sarà fatto tenendo conto della quantità di materiali utilizzati, successivamente i due modelli saranno esportati nel software ANSYS Maxwell e verrà estratto il corrispettivo modello 2D; sfruttando le simmetrie di macchina un’ulteriore riduzione del modello sarà effettuata, così da ridurre i tempi di computazione delle simulazioni; le due macchine hanno potenze pari a 1.5 kW e son progettate per lavorare con alimentazione a 48 V, le simulazioni hanno lo scopo di analizzare le principali caratteristiche di macchina come la coppia massima, la coppia di cogging, e la “BEMF”, infine verranno costruite mappe di efficienza dei due motori. Nei seguenti capitolo sono illustrati principi di funzionamento, le geometrie, materiali e le equazioni generali che governano queste macchine, per effettuare un buon confronto, performance ed efficienza verranno analizzate e alla fine il motore migliore per questo tipo di applicazione sarà scelto, tenendo conto delle performance e della capacità di essere sottoposti una produzione di massa.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/148967